第二章 双极型晶体管

2. 共射极电流放大系数---β 0表示
I C I nC o I B I E I nC I nC / I E O >1 1 I nC / I E 1 0
or
o o 1 o
3. 其它电流关系
I nC I C I CBO a.根据定义 0 IE IE
纵向、横向几何结构参数和材料物理参数决定晶体管特性。
pnp与npn晶体管器件物理基本相同，本章以npn晶体管为例。
§2.2
晶体管直流放大机理(npn)
发射结正偏，集电结反偏；基区宽度小于少子扩散长度。 一、放大状态载流子分布及输运 1. 少数载流子分布 特征： A. 势垒区二侧边界处少子 浓度与孤立pn结相同; B. 发射区与集电区少子扩 散长度内少子分布分别 与孤立pn结相同; C. 基区少子浓度及浓度梯 度分布由发射结侧与集 电结侧边界条件决定。
边界条件
n b ( x) |x 0 n b 0 n pb exp( qVE ) kT
qVC ) kT
n b ( x) |x w b n b Wb n pb exp(
dnb ( x) nb ( x) npb 0 2 2 dx Lnb
nb ( x ) npb wb x x nb ( x )sh( ) nb ( w b )sh( ) Lnb Lnb wb sh( ) Lnb qV
则：IC=β 0IB +（1+β 0）ICBO=β 0IB +ICEO
当IB=0(即共射极基极开路)，有 IC= （1+β0）ICBO = ICEO---？？
即，在基极开路时，C--E间电流（称反向电流）是集电结 反向电流的（1+β 0）倍。此时的电流放大系数β 0是小电流 时的放大系数。
三、晶体管其它工作状态
xje
xjc
集电结结深xjc；
基区宽度wb； 集电 区宽度wc，等。
基区和发射区宽度、长度；
基区和发射区金属引线尺寸； 它们之间的边距，等。
B. 材料物理参数 发射区掺杂浓度及分布-- NE(x);
基区掺杂浓度及分布-- NB(x);
集电区掺杂浓度及分布– NC(通常是常数); 少子寿命及迁移率(尤其基区) ，等。
E
2.电流密度:
J pE
dp e ( x) qDpe dx
x0

qD pe p n e L pe
qVE
(e
KT
1)
三、集电区少子浓度及电流分布 与发射区同样过程，有：
J pC
dp c ( x) qDpc dx
x0
qDpc pnc (e Lpc
qVC KT
1)
四、电流-电压方程 (适合于各种偏置) 考虑电流实际反向有：
A. γ：发射效率 1 I pE I nE I nE 1 I nE I E I nE I pE B. β*基区输运系数：
I nC I nE I VB I VB 1 I nE I nE I nE

IpE / InE Wb<<Lnb
NB<<NE
重点讨论晶体管器件物理---载流子分布、载流子输运 物理过程及图像，各种特性产生机理和表征参数。 约定：未作说明，则讨论的是同质结晶体管。
§2.1 晶体管基本结构
1.基本原理结构与条件
---基于放大能力 1) 基本原理结构
正偏pn结与反偏背靠背 pn结 2) 基本结构条件 共用区宽度小于 少子扩散长度
IVB
C. 通过基极的电流 基区注入发射区的空穴流---IpE表示
在基区与发射区注入电子相复合的空穴流---ＩvB表示
流出基极的集电结反向电流(空穴流)---ＩCBO表示
流入基极净空穴流用IB表示， 为: IB =IpE + IVB - ICBO IVB = InE - InC
IVB
D. 结 论
IE = InE + IpE IC = InC + ICBO
IVB
IB =IpE + IVB - ICBO IVB = InE - InC IE = IB+ IC
即，发射极电流等于基极电流与集电极电流之和 。
若 Wb<<Lnb， 那么 ＩVB<<ＩnC 即 ＩVB<<ＩnE -ＩVB =ＩnC
即 ＩpE<<ＩnE -ＩVB=ＩnC
qVE KT
1)
qDnb npb Lnb
wb csch( )(e Lnb
qVC KT
1)
J nC
dnb ( x ) qDnb dx
x wb
qVE qVC qDnb npb qDnb npb wb wb csc h( )(e KT 1) cth( )(e KT 1) Lnb Lnb Lnb Lnb
§2.3 均匀基区晶体管直流伏安特性方程
特征？
IE=?
假 设:
IC=?
1.空间电荷区没有载流子产生-复合; 2.外加电压主要降在势垒区； 3.注入少子远低于平衡多子--小注入； 4.晶体管的发射结和集电结偏置电压分 别为ＶE和ＶC。
ＶE和ＶC满足各种偏置
思 路：
少子扩散运动
n
InE IpE
p
IpC InC
qD n bn pb Lnb
qVE wb csc h( )]( e KT 1) Lnb
qD nbnpb qD pcpnc qVC wb A[ cth( ) ](e KT 1) Lnb Lnb Lpc
# IE和IC皆与VE、VC有关—电流叠加
# 特性方程物理意义： 一般满足：Wb<<Lnb 当(Wb /Lnb) <<1时： Sh(Wb /Lnb) X，Ch(Wb /Lnb) 1
E
n b (0) n pb (e
KT
1)
qVC n b ( Wb ) n pb [exp( ) 1] KT
基区集电结侧非平衡少子
基区发射结侧非平衡少子
2. 电流密度:
dn b ( x) J nE qDnb dx
qDnb npb Lnb
x0
wb cth( )(e Lnb
载流子分布？放大能力？
(IC=InC - IpC)
d.发射结正偏，集电结零偏，称晶体管 处于临界饱和状态。 此时
β 0 △ IB = △ IC
4. 小结 A.晶体管具有电流放大能力，须具备三个条件： ＮE(x)＞＞ＮB(x)---使发射效率γ 尽可能接近于１； wb << Lnb---使基区输运系数β * 接近于１； 发射结正偏，集电结反偏---使载流子从发射区渡越至收集区
分 类:
按功能--- 高频晶体管、低频晶体管、大功率晶体管、小功率晶体管、开关 晶体管、低噪声晶体管，等。 按材料— Ge晶体管、 Si晶体管、GaAs、SiGe晶体管等。 按能带结构— 同质结双极晶体管，一般称其为晶体管(BJT) 。异质pn结双极晶 体管，简称异质结晶体管(HBT) 。异质结晶体管具有更优良的电学特性。
qDnb npb qDpe pne qVE wb I E A( J nE J pE ) A[ cth( ) ](e KT 1) Lnb Lnb Lpe
qVC qD nbnpb wb A[ csc h( )]( e KT 1) Lnb Lnb
I C A( J n C J pC ) A[
二、电流放大能力分析
用电流放大系数(电流增益)表征。 通常有共基极和共射极电流放大系数。
1. 共基极电流放大系数---α 0表示 I C I C I CBO I nC o <1 I E IE IE
I nC I nE I nC o IE I E I nE
B.晶体管共基极电流放大系数α 0（可以）接近于１;
C.共射极电流放大系数β 0一般远大于１； D.输入阻抗低，输出阻抗高，有足够大的电压和功率放大能力。 ex: 1. 试讲述晶体管具有放大能力的结构与偏置条件及其机理？ 2. 画出不同偏置下晶体管载流子分布，简述饱和态
β0△IB > △ IC 机理。
2.载流子输运过程 n a.发射区电子注入基 区， 边扩散边复合-IVB； b.基区空穴注入发射区， 边扩散边复合-IpE； c.发射区注入基 区的电子 扩散至集电结空间电荷区 边界被反偏电场抽至集电 区，形成电流-InC；
正偏
反偏
p
Wb
n
IVB
d.集电结反向电流-ICBO。
忽略复合
3. 电流(载流子)输运关系 A. 通过发射结(发射极)电流： 发射区注入到基区的电子 流---用ＩnE表示； 基区注入到发射区的空穴 流---用ＩpE表示。 流过发射结总电流(发射极流入的总电子流)---ＩE表示，忽略 发射结空间电荷区复合，为： IE = InE + IpE B. 通过集电结(集电极)电流： 输运至集电结势垒区边界并输运至集电区的电子流---ＩnC表示； 集电结反向电流---ICBO表示。 集电结总电流(集电极电流)---用ＩC表示，为 IC = InC + ICBO
a.发射结反偏，集电结反偏 --- 称晶体 管处于截止状态。 b.发射结反偏，集电结正偏---称晶体管 处反向放大状态。若晶体管纵、横向结 构参数完全对称，其放大能力与正常放 大偏置相同。否则，放大系数会很 小。？？ c.发射结正偏，集电极正偏---称晶体管 处于饱和状态（电流方向 ?）。 β 0△IB > △ IC (IB=IpE+IVB+ IpC)
正偏
反偏
n
p
Ln Ln
n
如同二只孤立pn结
正偏 反偏
n
p
n
基本条件：偏置； 结构； ？
产生新电学特性
2.基本类型
1) 类型 共用区为p型：
称npn型；
共用区为n型： 称pnp型 2) 电极结构
基 区：pn结共用区。该区电极称基极(B) 。
发射区：正偏pn结的非共用区域。该区电极称发射极(E)。 集电区：反偏pn结的非共用区域。该区电极称集电极(C) 。
有 共基极
IC=α 0IE +ICBO
b.利用 IE = IC + IB 及α 0与β 0关系：
{IC= α0IE +ICBO= α0（IC +IB）+ICBO IC= α0IB/(1-α0 )+ICBO /(1-α0 )}
有共射极 IC=β 0IB +（1+β 0）ICBO
令（1+β 0）ICBO=ICEO
二、发射区少子浓度及电流分布 1. pe(x)
边界条件
pe (x) x0 pe (o) pne e
qVE KT
pe(x)∣x=∞ = pe(∞) = pne
d 2 p e ( x) p e ( x) p ne 0 2 2 dx L pe
qV x p e ( x) p ne p ne (1 )(e KT 1) L pe
I n n N D Ln I n E n B N EWB I p p N A Lp I p E pE N B LpE
同时，由pn结电流注入比可知：若NE(x) >> NB(x) ，可使 ＩpE<<ＩnE 故
IC >>IB
所以，如将基极电流IB作为输入信号，集电极电流IC作为输出信号，则晶体 管实现了电流放大。 另外，晶体管的正偏发射结电阻远远小于反偏集电结的电阻。这样，输出回 路负载电阻可以很大。因此，晶体管具有电压放大和功率放大的能力。
发射结：正偏pn结。
集电结：反偏pn结。
3.晶体管制造与掺杂分布
A.平面工艺技术
结构中n+的作用？
xje
xjc
--缓变基区晶体管 (漂移(型)晶体管 )
B. CVD等技术 B p
E B
--均匀基区晶体管 (扩散(型)晶体管)
n+ Байду номын сангаасC
n+
4. 基本结构参数
A. 几何结构参数 纵 向: 发射结结深xje； 横 向： 晶体管表面腑视图所见:
n
仍用放大状态 符号表示
IE=IpE+InE
IC=InC+IpC
dnb ( x) nb ( x) npb 0 2 2 dx Lnb 基区连续性方程
InE InC
IpE
扩散流方程
扩散流方程
nb(x)
pe(x)
发射区连续性方程
IpC
扩散流方程
pc(x)
集电区连续性方程
一、基区少子浓度及电流分布 1. nb(x):
第二章 双极型晶体管
*双极晶体管基本结构与原理； *双极晶体管直流放大特性；
*双极晶体管频率特性；
* 异质结双极晶体管(HBT)；
双极型晶体管:
电子和空穴二种极性载流子同时参与输运的具有电流和功率放大能力的 三端半导体器件，通常简称晶体管。
基本特征：
由满足一定几何结构参数和材料物理参数要求的二只背靠背的pn结构成； 直流和交流工作状态下呈现不同的电学特性。